以太网最早是指由DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟开发并于1982年发布的标准。经过长期的发展，以太网已成为应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。

我们知道，在一个大型的会议现场，如果同时有多人讲话，会议现场将会变的无序、嘈杂，无法理解对方在说什么。这就需要一种规则，即：当一个人在发言时，其他人则需聆听。

类似的，在共享网络中，对于两个或多个相连的设备，在通过共享的铜缆或光缆试图同时发送数据报文时，组成数据包的电脉冲或光子会重叠（用来指示数据包中1和0的字节位），因此会发生数据包冲突，信息无法互通。这就同样需要一种规则，以指导设备之间的信息能够正确、有效的进行传递。而以太网技术便提供了这一规则。

以太网使用一种称为载波侦听多址/冲突检测（CSMA/CD）技术，来解决通信双方数据包冲突的问题。简单的说即是：在会议现场，当你在讲话之前，确保没有其他人在讲话。如果你在讲话时听到有人在讲话，请你停止讲话、倾听，并等待对方讲话结束后再重新讲话。

因此，更正式地讲，以太网是基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议的IEEE 802.3标准的通用名称。CSMA/CD定义信息何时进行传输，检测到冲突的处理方式，以及传输速度和所需介质等规则。

发展到今天，以太网已是应用最普遍的一种计算机局域网技术，被广泛应用于家庭、企业和学术机构等场景。

早在1972年，Robert Metcalfe（被尊称为“以太网之父”）作为网络专家受雇于Xerox公司，当时他的第一个任务是把Xerox公司Palo Alto研究中心（PARC）的计算机连接到Arpanet（Internet的前身）。同年底，Robert Metcalfe设计了一套网络，把PARC的计算机连接起来。因为该网络是以ALOHA系统（一种无线电网络系统）为基础的，又连接了众多的Xerox公司Palo Alto研究中心的计算机，所以Metcalfe把它命名为ALTO ALOHA网络。

ALTO ALOHA网络在1973年5月开始运行，Metcalfe把这个网络正式命名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网试验原型，该网络运行速率为2.94Mbps，网络运行的介质为粗同轴电缆。

1976年6月，Metcalfe和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网：区域计算机网络的分布式包交换技术》（Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks）的文章。1977年底，Metcalfe和他的三位合作者获得了“具有冲突检测的多点数据通信系统”（"Multipoint data communication system with collision detection"）的专利。从此，以太网就正式诞生了。

至上世纪七十年代以太网诞生后，以太网标准不断演进。如下表所示，经过长期的发展，以太网已包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。

速度

名称

IEEE标准

10 Mbit/s

标准以太网

802.3

100 Mbit/s

快速以太网

802.3u

1000 Mbit/s

千兆以太网

802.3z/ab

10 Gbit/s

万兆以太网

802.3ae

当前，以太网已是应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准。如令牌环、FDDI和ARCNET。历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10GE以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。

随着企业带宽需求快速发展，当下主流的千兆以太网正迅速成为企业网络的瓶颈，其最直接的解决方案就是将以太网带宽升级到10Gbps。

然而，目前大多办公室和企业网络环境中部署的多为Cat5e（超五类双绞线）和Cat6（6类双绞线）线缆，其无法支持10Gbps的传输速率，如果以太网直接升级到10Gbps，则需要同时更新线缆。这将会导致网络的改造成本非常高。

基于上述问题，多千兆以太网标准IEEE 802.3bz应运而生，其包含了2.5Gbps与5Gbps两种速率规格，正好符合Cat5e和Cat6的带宽特性，这样在网络升级时，就能够兼容现有网络主流的Cat5e与Cat6线缆，极大的节省了网络升级成本。

更详细的介绍，请参见"多千兆以太网"。

随着10G以太网的诞生，在原有的千兆以太网的基础上传输速率提高了10倍，传输距离也大大增加，摆脱了以太网只能应用于局域网范围的限制。同时由于以太网配置简单、组网灵活、价格低廉等优势，进而使的以太网延伸到了城域网。

城域以太网，即是基于以太网协议的城市级网络技术，通常涵盖几十到几百公里的范围，通过铜缆、光纤等传输介质，将网络的覆盖范围扩展至整个城市。它不仅使得信息能够更加流畅地在城市范围内传递，还为数据中心互联、智慧城市建设等场景提供了强大的技术支持。

城域以太网作为以太网的增强版本，通过技术和设备的升级，克服了以太网在距离和带宽方面的限制。与传统的局域网相比，城域以太网通过连接城市内部的不同设备，使得远距离的信息交互快速流通，极大地提高了网络的可扩展性。而与传统的广域网技术相比，其具有成本低、带宽高、部署灵活等优势。

以太网信息的传输介质包括同轴电缆，双绞线、光纤等。从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种：

10兆以太网线缆标准

100兆以太网线缆标准

1000兆以太网线缆标准

10G以太网线缆标准

10BASE-2

10BASE-5

10BASE-T

10BASE-F

100BASE-T4

100BASE-TX

100BASE-FX

1000BASE-SX

1000BASE-LX

1000BASE-TX

10GBASE-T

10GBASE-LR

10GBASE-SR

在这些标准中，前面的10、100、1000、10G分别代表运行速率；中间的BASE指传输的信号是基带方式；"-"后面的数字或字母，代表不同的物理传输方式，例如T表示使用的介质是同轴电缆，TX表明介质为双绞线，FX表明介质为光纤。（详细含义请参见下表内容）

10兆以太网线缆标准

10兆以太网线缆标准在IEEE802.3中定义，线缆类型如下表1所示。

名称

电缆

最长有效距离

10BASE-5

粗同轴电缆

500m

10BASE-2

细同轴电缆

200m

10BASE-T

双绞线

100m

10BASE-F

光纤

2000m

同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点故障就能导致整个网络崩溃。10BASE-2，10BASE-5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰

100兆以太网线缆标准

100兆以太网又叫快速以太网FE（Fast Ethernet），在数据链路层上跟10M以太网没有区别，仅在物理层上提高了传输的速率。

快速以太网线缆类型如下表2所示。

名称

线缆

最长有效距离

100Base-T4

四对三类双绞线

100m

100Base-TX

两对五类双绞线

100m

100Base-FX

单模光纤或多模光纤

2000m

10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网线缆标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作，而100BASE-TX则以100M的速度工作。

100BASE-T4现在很少使用。

千兆以太网线缆标准

千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展。在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率从100Mbit/s提高了10倍，达到了1Gbit/s。其中，802.3z用于光纤传输信号，802.3ab用于双绞线传输信号。千兆以太网线缆标准如下表3所示。

名称

线缆

最长有效距离

1000Base-LX

多模光纤和单模光纤

316m

1000Base-SX

多模光纤

316m

1000Base-TX

超5类双绞线或6类双绞线

100m

用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbit/s到1000Mbit/s的升级。

千兆以太网物理层使用8B10B编码。在传统的以太网传输技术中，数据链路层把8位数据组提交到物理层，物理层经过适当的变换后发送到物理链路上传输。但变换的结果还是8比特。

在光纤千兆以太网上，则不是这样。数据链路层把8比特的数据提交给物理层的时候，物理层把这8比特的数据进行映射，变换成10比特发送出去。

万兆以太网线缆标准

万兆以太网当前使用附加标准IEEE 802.3ae进行说明，将来会合并进IEEE 802.3标准。万兆以太网线缆标准如下表4所示。

名称

线缆

有效传输距离

10GBASE-T

CAT-6A或CAT-7

100m

10GBase-LR

单模光纤

10km

10GBase-SR

多模光纤

几百米

100Gbps以太网线缆标准

新的40G/100G以太网标准在2010年制定完成，当前使用附加标准IEEE 802.3ba用以说明。随着网络技术的发展，100Gbps以太网在未来会有大规模的应用。

以太网的网络层次

以太网采用无源的介质，按广播方式传播信息。它规定了物理层和数据链路层协议，规定了物理层和数据链路层的接口以及数据链路层与更高层的接口。

物理层规定了以太网的基本物理属性，如数据编码、时标、电频等。

物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体（即通信通道），物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，但是，物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。

数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源设备网络层转发过来的数据可靠地传输到相邻节点的目的设备网络层。

由于以太网的物理层和数据链路层是相关的，针对物理层的不同工作模式，需要提供特定的数据链路层来访问。这给设计和应用带来了一些不便。

为此，一些组织和厂家提出把数据链路层再进行分层，分为媒体接入控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。如下图所示。

以太网链路层的分层结构

CSMA/CD

根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，以避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。

可以从以下三点来理解CSMA/CD：

在发送数据之前进行侦听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。

每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。

由于两个站点同时发送信号，信号叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。

边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。

发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了冲突。

检测到冲突后等待的时间是随机的。

以太网的双工模式

以太网的物理层存在半双工和全双工两种模式。

半双工的工作模式：

HUB工作在半双工模式。

在有L2交换机取代了HUB组建以太网后，以太网由共享式转变为交换式。而且用全双工代替了半双工，传输数据帧的效率大大提高，最大吞吐量达到双倍速率。

全双工从根本上解决了以太网的冲突问题，以太网从此告别CSMA/CD。

全双工的工作模式：

当前制造的网卡、二层设备、三层设备都支持全双工模式，HUB除外。

实现全双工的硬件保证：